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Électricité : les bases et la loi d’Ohm
Le courant électrique est un déplacement de charges. On le décrit par la tension U (volts), l’intensité I (ampères) et la résistance R (ohms), reliées par la loi d’Ohm : U = R × I.
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L’électricité désigne l’ensemble des phénomènes liés aux charges électriques. Dans un fil métallique, le courant est un mouvement d’ensemble d'électrons libres, poussés par une différence de potentiel entre les bornes d’un générateur. Trois grandeurs suffisent à décrire la plupart des circuits : la tension, l’intensité et la résistance. Elles sont reliées par la loi d’Ohm, énoncée par le physicien allemand Georg Simon Ohm en 1827.
Les grandeurs électriques essentielles
| Grandeur | Symbole | Unité | Instrument | Analogie hydraulique |
|---|---|---|---|---|
| Charge | Q | coulomb (C) | — | Volume d’eau |
| Intensité du courant | I | ampère (A) | Ampèremètre (en série) | Débit d’eau |
| Tension (différence de potentiel) | U | volt (V) | Voltmètre (en dérivation) | Différence de pression |
| Résistance | R | ohm (Ω) | Ohmmètre | Étroitesse du tuyau |
| Puissance | P | watt (W) | Wattmètre | Débit × pression |
| Énergie | E | joule (J) ou kWh | Compteur | Travail fourni par l’eau |
La loi d’Ohm
Pour un conducteur ohmique (résistance, fil métallique à température constante), la tension à ses bornes est proportionnelle à l’intensité qui le traverse :
U = R × I, d’où I = U / R et R = U / I
La loi d’Ohm ne s’applique pas à tous les dipôles : diodes, lampes à filament (dont la résistance augmente avec la température) ou transistors ont un comportement non linéaire.
De quoi dépend une résistance ?
Pour un fil : R = ρ × L / S, avec ρ la résistivité du matériau (Ω·m), L la longueur et S la section. Un fil long et fin résiste plus qu’un fil court et épais. L’argent, le cuivre et l’or sont les meilleurs conducteurs ; le verre, le caoutchouc et la plupart des plastiques sont isolants.
Puissance et énergie électriques
La puissance consommée par un appareil vaut :
P = U × I
Pour une résistance, en combinant avec la loi d’Ohm : P = R × I² = U² / R. C’est l'effet Joule : un courant qui traverse une résistance la chauffe (grille-pain, radiateur, bouilloire, fusible).
L’énergie consommée pendant une durée t : E = P × t.
Circuits en série et en parallèle
| Montage en série | Montage en parallèle (dérivation) | |
|---|---|---|
| Intensité | Identique partout : I = I₁ = I₂ | Se partage : I = I₁ + I₂ (loi des nœuds) |
| Tension | Se partage : U = U₁ + U₂ (loi des mailles) | Identique aux bornes de chaque branche |
| Résistance équivalente | R = R₁ + R₂ | 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ |
| Si un élément est coupé | Tout le circuit s’arrête | Les autres branches fonctionnent |
| Exemple | Anciennes guirlandes | Installation électrique d’une maison |
Ces lois de conservation (nœuds et mailles) ont été formulées par Gustav Kirchhoff en 1845.
Courant continu et courant alternatif
- Courant continu (DC) : les charges circulent toujours dans le même sens. Piles, batteries, panneaux solaires, électronique.
- Courant alternatif (AC) : le sens s’inverse périodiquement. En Europe, le réseau domestique délivre une tension sinusoïdale de 230 V à 50 Hz (50 cycles par seconde) ; en Amérique du Nord, 120 V à 60 Hz.
Le courant alternatif s’est imposé pour le réseau car un transformateur permet d’élever facilement la tension pour le transport (jusqu’à 400 000 V en France), ce qui réduit les pertes par effet Joule, puis de l’abaisser chez l’utilisateur. Le transformateur repose sur l’induction, un phénomène de magnétisme.
Conducteurs, isolants, semi-conducteurs
La conduction dépend de la structure des atomes : dans les métaux, des électrons de valence sont libres de se déplacer. Dans les isolants, ils restent liés. Les semi-conducteurs (silicium, germanium) ont une conductivité intermédiaire, que l’on contrôle par dopage : ils sont à la base des transistors et de toute l’électronique moderne.
Sécurité électrique
Ce n’est pas la tension seule qui est dangereuse, mais l’intensité qui traverse le corps, sa durée et son trajet (passage par le cœur). Quelques dizaines de milliampères peuvent provoquer une fibrillation cardiaque. La résistance du corps humain baisse fortement quand la peau est mouillée. Les disjoncteurs différentiels 30 mA, obligatoires sur les installations domestiques en France, coupent le courant en cas de fuite vers la terre.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre tension et intensité ?
La tension (en volts) est la cause : la différence d’état électrique qui pousse les charges. L’intensité (en ampères) est l’effet : le débit de charges qui circule effectivement. Une pile de 9 V non branchée a une tension mais aucun courant ne circule.
Comment retenir la loi d’Ohm ?
U = R × I : « Uri ». Un triangle aide à l’inverser : U en haut, R et I en bas. On cache la grandeur cherchée et on lit le calcul restant : I = U / R, R = U / I.
Quel est le sens du courant ?
Par convention, le courant va de la borne + vers la borne − à l’extérieur du générateur. Les électrons, de charge négative, circulent en réalité dans le sens inverse ; la convention a été fixée avant leur découverte.
Pourquoi les oiseaux posés sur les lignes ne sont-ils pas électrocutés ?
Parce qu’ils ne touchent qu’un seul fil : leurs deux pattes sont au même potentiel, la tension à travers leur corps est quasi nulle et aucun courant notable ne les traverse.